学术简报｜悬浮输出能力高、功耗低的新型磁悬浮开关磁阻电机
江苏大学电气信息工程学院、南京工程学院电力工程学院的研究人员孙玉坤、于丰源、袁野、黄振跃、黄永红、朱志莹，在2019年第1期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“一种混合双定子磁悬浮开关磁阻电机”），针对传统磁悬浮开关磁阻电机（BSRM）存在的多变量非线性强耦合问题，并以提高系统悬浮输出能力、降低悬浮功耗为目的，提出一种混合双定子磁悬浮开关磁阻电机（HDSBSRM）。
该电机采用内、外双定子结构，外定子与内定子共用一套转子结构，内定子通过引入轴向充磁型永磁环，为产生主动可控悬浮力提供稳定偏置磁场。在介绍其拓扑结构和工作原理的基础上，推导了径向悬浮系统的数学模型，分析了基本电磁特性和解耦特性，验证了其主绕组与悬浮力绕组以及两自由度悬浮力绕组之间具有的自解耦特性。并就其悬浮输出能力和悬浮功耗等方面，与传统双定子磁悬浮开关磁阻电机进行了比较，验证了其具有高悬浮输出和低悬浮功耗的优点，表明所提HDSBSRM结构的合理性与优越性。
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）转子无绕组和永磁体，具有结构简单、机械强度大等优点，适用于高温和航空航天等恶劣环境。但开关磁阻电机系统中的机械轴承导致摩擦损耗随转速增加而成倍地增大。鉴于开关磁阻电机的定子与磁轴承定子结构的相似性，将磁轴承的径向力绕组叠绕在开关磁阻电机定子绕组上构成了磁悬浮开关磁阻电机（Bearingless Switched Reluctance Motor, BSRM），其在保留开关磁阻电机优良特性的基础上，无需润滑装置，解决了由机械轴承引起的磨损问题，在飞轮储能系统、超导磁悬浮列车、超真空密封室内的半导体加工、核废料处理和混合动力牵引、航空航天用起动/发电机系统等领域极具应用前景。
然而，纵观国内外，磁悬浮开关磁阻电机的工程应用普及程度并不高，究其原因主要是电机内各绕组间存在多变量的非线性强耦合关系，系统分析以及解耦控制难度大，这些已经成为制约该技术进入工程应用的主要瓶颈。目前相关学者针对磁悬浮开关磁阻电机耦合问题，主要从控制策略和本体结构设计等方面开展了研究。
①控制策略方面，江苏大学孙玉坤团队针对磁悬浮开关磁阻电机瞬时悬浮力与瞬时转矩非线性、强耦合的特点，提出了一种瞬时悬浮力与平均转矩分相产生的双相导通解耦控制策略，利用一套绕组解耦瞬时悬浮力与平均转矩，实现了悬浮与旋转的独立控制，但这种方法将每极定子电流等效为转矩分量和悬浮分量之和，牺牲了部分悬浮电流和转矩电流，效率较低；随后提出了一种基于最小二乘支持向量机（Least Squares Support VeotorMaohine, LSSVM）的逆动力学建模与解耦控制方法，采用LSSVM建立了磁悬浮开关磁阻电机逆动力学模型，并将该逆模型与电机模型串联，实现了系统各变量之间的解耦线性化，但逆动力学建模过程繁琐，LSSVM算法复杂，难以工程化实现。
②本体设计方面，韩国庆星大学与沈阳工业大学张凤阁团队联合提出了一种12/14极宽窄式磁悬浮开关磁阻电机，其定子宽、窄极上分别单独缠绕悬浮力绕组和主绕组，因转子与定子宽极的对齐面积始终等于转子极宽，因此在转子旋转过程中悬浮力绕组几乎不产生电磁转矩，可以减弱悬浮力绕组对主绕组的耦合影响，但是主绕组对悬浮力绕组仍存在较大的耦合且径向两自由度悬浮力绕组之间的耦合也较大；
韩国庆星大学随后提出了一种具有双定子结构的磁悬浮开关磁阻电机（Double Stator Bearingless Switched Reluctance Motor, DSBSRM），该电机包含内、外两个定子，其内定子上的悬浮力绕组负责悬浮功能，外定子上的主绕组负责旋转功能，通过有限元方法对其转矩和悬浮力特性进行了分析，相较于宽窄式混合定子型的磁悬浮开关磁阻电机，该电机可有效克服主绕组与悬浮力绕组之间以及径向两自由度悬浮力绕组之间的耦合；
南京工程学院周云红等将这种电机用于发电运行，研究了一种双定子型的磁悬浮开关磁阻起动/发电机，建立了悬浮力、旋转力和发电电流模型，通过有限元分析验证了该起动/发电机具有主绕组和悬浮力绕组耦合小、径向悬浮力性能好的优点。
本文在对文献[17-20]深入研究的基础上，保留了传统双定子磁悬浮开关磁阻电机转矩系统与悬浮系统弱耦合的优良特性，为进一步降低悬浮功耗，提高悬浮输出能力，提出一种混合双定子磁悬浮开关磁阻电机（Hybrid Double Stator Bearingless Switched Reluctance Motor, HDSBSRM）。该电机具有双定子结构，其中外定子采用12极双凸极结构，内定子采用8极双凸极结构，外定子与内定子共用一套转子结构；内定子通过引入轴向充磁型永磁环，为产生主动可控悬浮力提供稳定偏置磁场。
本文在分析HDSBSRM拓扑结构特性的基础上，阐述了其转子悬浮及运行机理；利用等效磁路法建立了该电机径向悬浮力数学模型；基于Ansoft/Maxwell3D软件建立了一台有限元样机模型，分析了该电机转矩、悬浮力等电磁特性，并与宽窄式磁悬浮开关磁阻电机的耦合特性以及传统双定子磁悬浮开关磁阻电机的输出能力和悬浮功耗进行了对比，验证了本文所提电机具有转矩系统与悬浮系统间以及悬浮系统两自由度间解耦性能良好，且具有高悬浮输出、低悬浮功耗等独特性能优势；最后通过仿真与实验，实现了电动/悬浮。
图1HDSBSRM结构
图2 HDSBSRM混合内定子结构与磁路
图14 HDSBSRM控制系统框图
本文提出一种混合双定子磁悬浮开关磁阻电机，与磁悬浮开关磁阻电机、宽窄式磁悬浮开关磁阻电机以及传统双定子磁悬浮开关磁阻电机相比，具有如下性能：
1）在旋转过程中，HDSBSRM径向悬浮力不随转子位置变化，克服了传统BSRM在某些特定转子位置不能产生足够悬浮力的问题，提高了悬浮系统的可控性。
2）所提HDSBSRM在转矩和悬浮系统之间以及悬浮系统两自由度之间具有优异的解耦特性。从本体结构设计上解决了传统BSRM存在的强耦合问题，方便控制。
3）所提HDSBSRM与传统DSBSRM相比，具有更高的悬浮输出能力，且悬浮功耗更小。